Формирование наноразмерных структур

Бесконтактное формирование нанорельефа поверхности подложек. Бесконтактное формирование нанорельефа (бугорков) на поверхности металлических подложек с помощью СТМ возможно, если для игольчатого электрода и подложки выполняется неравенство _i ≥ k_{i i}. Бесконтактная пластическая деформация подложки, в свою очередь, возможна, если:

где максвелловское напряжение σ вычисляется по формуле (3). Явлению локальной пластической деформации подложки может способствовать и локальное тепловыделение при прохождении больших плотностей тока в соответствии с (1), (2) через поверхностные области подложки, когда ее теплопроводность невелика. Такое термополевое пластическое смещение было осуществлено на металлических стеклах [5], получены ограниченные бугорки, (рис. 3 а) с характерными размерами: высота 20 нм, диаметр у основания 20 нм.

а) б)

Рисунок 3. Модификация поверхности: а) формирование выступов на подложке из стекловидного сплава, б) формирование бугорков (темные области) на поверхности пленки золота, нанесенной на кремниевую подложку, (характерные размеры бугорков 20x20x20 нм)

Наряду с "горячей" пластической деформацией возможна "холодная" деформация металлических подложек [6], когда тепловые эффекты менее существенны в силу высокой теплопроводности подложек (рис. 3 б).

Недостатком методов бесконтактной модификации рельефа поверхности подложек за счет электростатических сил является дальнодействующий характер этих сил.

«Континуальный подход к объяснению электростатического воздействия на приповерхностные области подложек справедлив, если имеет место неравенство:

где l - характеристический размер области воздействия, a –размер элементарной ячейки материала. В приведенных выше примерах это неравенство выполняется, поскольку l = 10...20нм. Однако при этом необходимо учитывать другой возможный механизм воздействия на поверхностную диффузию атомов подложки в неоднородных электрических и тепловых полях» [3].

Электронно-стимулированное осаждение или травление. Для записи информации можно использовать метод осаждения материала из газовой фазы (металлоорганики). Наиболее вероятный механизм в этом случае — разложение газообразного металлоорганического соединения под действием эмитировавших из острия электронов и осаждение металла на подложку. Для этого острие отодвигается от поверхности и прикладывается высокая разность потенциалов (до 200 В), т. е. осуществляется режим автоэмиссии. В результате такого воздействия (~0,25 мс) появляются металлические холмики ≥ 10 нм или линии такой ширины, состоящие из последовательно полученных холмиков.

Носителями информации также могут служить ямки травления. Для травления ямок на поверхности Si (111) можно использовать газообразный WF₆. Этим способом получены структуры диаметром 10 нм и глубиной 12 нм. Однако это достаточно длительный процесс, создание одной ямки занимает около 1 с.

Один из интересных экспериментов по записи и стиранию информации на поверхности графита был проведен с органическими молекулами. Информация записывалась на поверхности монокристалла графита с помощью СТМ на воздухе в капле диэтилгексилфталата или диметилфталата. Получалось хорошее изображение атомарной структуры поверхности. После приложения импульса U>3,5В длительностью 100 мс на поверхности обнаруживается холмик диаметром ~0,4нм. Эта структура формируется разрывом связи в органической молекуле и «пришпиливанием» ее фрагмента к поверхности графита. Вероятность этого процесса приближается к 100% при U ≥ 3,75 В. Эта величина хорошо согласуется с энергией единичной связи С-С в этих органических соединениях, разрыв которой и определяет первый этап создания бита. Эта структура может быть убрана повторным импульсом над нею, порог ее разрушения U≥4,5 В. Это, по-видимому, один из первых примеров обратимой записи и стирания бита информации столь малых размеров.

Массоперенос с помощью острия. Как одну из возможностей создания на поверхности рельефов или рисунков нанометровых размеров следует рассматривать массоперенос с использованием острия. Способ основан на использовании ионного пучка, создаваемого при помощи десорбции частиц с острия в сильных электрических полях. Если разность потенциалов между иглой и поверхностью составляет величину порядка 10В, то при величине зазора 10^-9м напряженность поля составит 10¹⁰В/м. При таких больших значениях напряженности поля возникает не только туннельный ток, но и массоперенос за счет полевого испарения атомов или молекул в виде ионов с иглы и их конденсации на поверхности пластины (или наоборот — в зависимости от полярности поля) при комнатной или даже более низкой температуре.

«Если в качестве электрода использовать острие, то напряженность электрического поля максимальна на его вершине и уменьшается к периферии. Это приводит к локализации образующегося пучка в пределах узкого телесного угла. Оценки показывают, что при малых расстояниях между острием и подложкой область конденсации частиц на поверхности имеет размеры того же порядка, что и диаметр острия. При использовании стандартной технологии изготовления острий с термически равновесной формой можно рассчитывать на получение рисунка с шириной линии ~10... 20 нм. Однако это не предел, поскольку в настоящее время, как уже говорилось ранее, разработан ряд приемов, позволяющих добиться образования микроострий значительно меньших размеров, вплоть до атомного» [4].

Уход частиц вследствие десорбции приводит к расходу материала и соответствующему изменению геометрии острия, а также режимов работы источника. Поэтому необходимо их восполнение, что может быть осуществлено путем поверхностной диффузии из резервуара, расположенного недалеко от вершины острия.

«Практическая реализация этого метода была осуществлена следующим образом. На острие СТМ из вольфрама был нанесен тонкий слой галлия, острие поднесено к поверхности (арсенид галлия) на расстояние 100 нм и осуществлен режим массопереноса, с успехом применяемый в так называемых жидкометаллических источниках. В сильном поле (разность потенциалов 200В) Ga образует микроострие — конус Тейлора — и с его конца идет эмиссия ионов. Таким образом удалось нанести рисунок, ширина линии которого составляла 100 нм. Дальнейшему уменьшению размеров препятствует ограничение на расстояние от острия до подложки порядка 100 нм, так как на меньших расстояниях возникают значительные силы притяжения, которые деформируют конус Тейлора. Преимуществом такого источника перед обычным жидкометаллическим является то, что эмитируемые ионы имеют небольшую энергию и не создают значительных дефектов на поверхности полупроводника. Этот способ нанесения информации при наличии резервуара распыляемого вещества обеспечивает большой ресурс работы, но, к сожалению, требует вакуумных условий, а при создании практических приборов это ограничивает область его применения» [4].

Значительные успехи были достигнуты при использовании золотого острия в СТМ и для считывания, и для нанесения информации полевой эмиссией ионов золота. Золото было выбрано по двум причинам: оно имеет низкий порог для полевого испарения и не окисляется на воздухе. Последнее дало возможность произвести полевое испарение на воздухе, что существенно повышает ценность этого метода.

Запись, иллюстрируемая рис. 4, представляет собою строго определенную структуру холмиков, нанесенных в заранее выбранных местах. Острие изготавливалось из золотой проволоки диаметром 250 мкм. Запись рельефа осуществлялась при величине туннельного тока 0,1 нА и разности потенциалов 100 мВ. Для записи одного бита (холмика) прикладывался короткий импульс (несколько сотен наносекунд), за время которого обратная связь не успевала отвести острие на большие расстояния. Структура, показанная на рисунке, создана импульсами с амплитудой 3,6В и продолжительностью 600 нс, размер бита 10... 20 нм по основанию, высота ~2... 3 нм. По окончании записи не замечено каких-либо изменений формы острия [4].

Рисунок 4. Запись информации с помощью полевой эмиссии с золотого острия

Интересна возможность создания ямок тем же методом полевой эмиссии с использованием другой полярности приложенного напряжения. Считывание с помощью СТМ рельефа ямок на сверхгладкой поверхности может быть произведено значительно быстрее, чем рельефа в виде холмиков.

Поскольку напряжение на управляемой игле может составлять несколько вольт, оно становится сравнимым с контактной разностью потенциалов. Поэтому для реализации управляемого массопереноса необходимо иметь информацию о локальных значениях контактной разности потенциалов. Эту информацию также можно получить с помощью туннельного микроскопа [4].

Таким образом, использование СТМ для локального управляемого массопереноса является одним из путей получения предельной микроминиатюризации при создании интегральных схем и наноэлектронных устройств.

Модификация свойств среды в зазоре между туннельным зондом и подложкой. В межэлектродном зазоре между туннельным зондом и подложкой возможно создание электрических полей, сравнимых с внутриатомными при напряжениях, не превышающих порог ионизации. В таких полях происходит прежде всего поляризация молекул и атомов среды, такая, что за счет диполь – дипольного взаимодействия возможно образование упорядоченных пространственных структур, в частности, молекулярных мостиков [3].

Для существования мостика необходимо подавить электрическим полем вращательные степени свободы молекул относительно оси мостика. Если W0 - энергия невозмущенной молекулы, а W - энергия молекулы, находящейся в электрическом поле, то:

(10)

где μ - постоянный дипольный момент молекулы, α_ij - ее тензор поляризуемости. С помощью этой формулы получено соотношение (4) для величины критического поля, при котором может быть организована новая молекулярная структура [7].

Однако наличие диэлектрической среды в межэлектродном зазоре не дает еще гарантии образования молекулярных мостиков, поскольку может оказаться энергетически более выгодным образование металлического мостика за счет пластического течения одного из материалов электродов в соответствии с формулой:

(11)

где - диэлектрическая проницаемость среды между электродами, ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, ₀ - напряжение начала пластической деформации материала подложки. Предполагается, что напряжение начала пластической деформации материала иглы много больше ₀:

«Если в условиях эксперимента имеет место соотношение E_m < E₀, то энергетически более выгодным является образование ориентированных вдоль поля молекулярных структур. При E_m>E₀ выгоднее локальное пластическое течение подложки с образованием металлического проводника» [3].

По мнению автора [3], для предотвращения деструкции среды за счет электрического поля в межэлектродном зазоре приложенная разность потенциалов не должна заметно превышать соответствующие потенциалы ионизации молекул среды.

Заключение

В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия – это бурно развивающийся метод исследования поверхности с высоким пространственным разрешением и мощный инструмент для решения задач нанотехнологии – технологии создания приборных структур с субмикронными размерами.

Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.

Следует ожидать прорыв в создании устройств со сверхплотной записью информации методами ТЗН.

Развитие нанотехнологии возможно окажет даже более сильное влияние на жизнь общества, чем использование микроэлектроники и интегральных схем, поскольку нанотехнология затрагивает значительно большее число отраслей промышленности и направлений в науке, чем электроника.

Недостатком методов бесконтактной модификации рельефа поверхности подложек за счет электростатических сил является дальнодействующий характер этих сил.

Электронно-стимулированное осаждение или травление.Это один из первых примеров обратимой записи и стирания бита информации столь малых размеров. Для записи информации можно использовать метод осаждения материала из газовой фазы (металлоорганики).

В методе массопереноса с помощью острия, уход частиц вследствие десорбции приводит к расходу материала и соответствующему изменению геометрии острия, а также режимов работы источника. Поэтому необходимо их восполнение, что может быть осуществлено путем поверхностной диффузии из резервуара, расположенного недалеко от вершины острия. Значительные успехи были достигнуты при использовании золотого острия так, как оно имеет низкий порог для полевого испарения и не окисляется на воздухе, что существенно повышает ценность этого метода. То есть произвести полевое испарение на воздухе.

Таким образом, возможность применения в туннельно-зондовой нанотехнологии плотностей токов до 10⁹ А/см² и полей до 10⁸ … 10⁹ В/см и управление ими позволяет использовать СТМ для создания наноструктур на поверхности подложек.

Основными факторами, определяющими процессы туннельно-зондовой нанотехнологин, являются: сверхбольшие плотности токов (до 10⁹ А/см²) и их электродинамическое воздействие; локальные электрические поля (10⁸...10⁹ В/см), сравнимые с внутримолекулярными и внутриатомными; возможны и внешние инициирующие воздействия (например, лазерное излучение и др.); сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные протекающими токами.

При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом может происходить множество взаимосвязанных процессов, приводящих к необратимым изменениям в локальной приповерхностной области образца, которые не описываются в общем случае простыми соотношениями и должны рассматриваться в каждом конкретном случае.

СТМ позволяет реализовать при наличии специальным образом подобранных технологических носителей высокой чистоты концепцию атмосферной нанотехнологии, причем полученные результаты не уступают по многим параметрам результатам, полученным методами нанотехнологии в глубоком вакууме.

Можно с уверенностью сказать, что в этом столетии нанотехнология станет стратегическим направлением развития науки и техники, что потребует фундаментальной перестройки существующих технологий производства промышленных изделий, лекарственных препаратов, систем вооружений.

Дата добавления: 2015-10-21